Әлсіз өзара әрекеттесу және биологиялық молекулалардың хиралығы • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша танымал ғылым тапсырмалары • Физика

Биологиялық молекулалардың әлсіз өзара әрекеті және хиралығы

Сурет. 1. Мұнда бейнеленген аминқышқылдары сияқты әртүрлі атомдар бар асимметриялық молекулалар бір-бірінің айна бейнесі болып табылатын екі кеңістіктік конфигурацияда (екі энантиомер) болуы мүмкін. Оларда әрекет ететін барлық атомдық күштер бір-біріне қатысты энантиомерлердің энергиясындағы шамалы айырмашылықты тудыратын әлсіз өзара әрекеттесуден басқа. Биологиялық молекулалардың бірдей энантиомерге салынғанын түсіндіру өте қызық болады. Worldofbiochemistry.blogspot.com сайтынан сурет

Өмірдің шығу тегі туралы сұраққа бір жарым ғасыр бойы зерттеушілерді азаптап келген бір жұмбақ бар: неге, өте сирек ерекшеліктермен, барлық биологиялық молекулалар сол жаққа бағытталған және дұрыс емес? Егер бірнеше түрлі атомдардан тұратын симметриялы емес молекуланы алсақ, онда ол екі энантиомер түрінде өмір сүре алады – бір-бірінен айна көрінісі арқылы ерекшеленетін кеңістік конфигурациясы және кез-келген айналу арқылы бір-біріне аударылмайды (1-сурет). Химия тұрғысынан энантиомерлер мүлдем бірдей және бұл молекулалардың энергиясы бірдей болуы керек,және олардың қатысуымен химиялық реакциялар, әрине, барлық басқа молекулалардың да айнаға айналдырылған болса, сол мөлшерде жалғасуы керек. Шындығында, асимметриялық молекулалардың симметриялы энантиомерлерден синтездеу реакцияларында рацемдік қоспалар түрінде пайда болады, яғни, оған тең және сол және басқа. Алайда, тірі организмдердегі белоктар қатаң анықталған хиральдің амин қышқылынан ғана құрылады. Өмірдің хиральдық тазалығы қалай пайда болды? Оның артында таза мүмкіндік бар ма, әлде басқа энантиомерлердің біріне артықшылық беретін негізгі физикалық себептер бар ма?

ХХ ғасырдың ортасына дейін, барлық негізгі физикалық өзара әрекеттер айна көрінісінде өзгерген жоқ деп есептелді. 1950-ші жылдардың ортасында жағдай күрт өзгерді: алдымен теориялық және эксперименталды түрде күштердің бірі, әлсіз өзара әрекеті оңнан-солға ауыстыру туралы өте асимметриялық екенін түсінді. Әлсіз өзара әрекеттесу тек ядро ​​мен жеке қарапайым бөлшектердің масштабында әрекет етеді, бірақ ол атомдар мен молекулалардың қасиеттеріне де әсер етуі мүмкін. Нәтижесінде, сол және оң жаққа бағытталған молекулалардың энергиясы сәл өзгеше болады, бұл сайып келгенде энантиомерлердің біреуіне пайда әкелуі мүмкін.

Бұл мәселеде, кем дегенде, кейбір жақындаған кезде әлсіз өзара әрекеттесуден туындаған энергияның айырмашылығын бағалауға тырысамыз. Әрине, біз әлсіз өзара әрекеттесуді сипаттаудың нәзіктігіне енбейміз, бірақ біз қарапайым «жұмыс істеу ережелері» жиынтығын құрастырып, оларды ұстанамыз.

Ең алдымен, оң және сол молекулалардың арасындағы теңсіздік электрон мен ядраның арасындағы әрбір атомда электрлік тартымдылықты ғана емес, сондай-ақ әлсіз өзара әрекеттесуден туындайтын қосымша күшті де тудырады. Біз әлеуетті энергияның көмегімен бұл қосымша күшті сипаттайтын боламыз.
.
Мұнда r – Электрон мен ядроның арасындағы қашықтық, q1, q2 – олардың электр заряды, rw – бұл әлсіз өзара әрекеттесу диапазонын сипаттайтын тұрақты және 10-ға тең−18 Бұл әлеуетті энергия электрон мен атом ядросының әдеттегі электростатикалық тартылуына ұқсайды.

және одан қосымша экспоненциалды фактормен ғана ерекшеленеді. Біз бұл жақындастыру өте қатал екендігіне тағы да тоқтаймыз, онда көптеген тәуелділіктерді жоққа шығардық және ең бастысы – әлсіз өзара әрекеттестіктің өте аз ауқымын қалдырдық.Ақыр соңында, соңғы ереже: біз айна молекулалардың тек сол молекулаларда әрбір атомдағы жалпы әлеуетті энергияның V + vw, оң жағында – сияқты V – Vw. Осылайша, осы молекулалардың энергиялары арасындағы айырмашылық қосымша потенциалды энергияның арқасында пайда болады.

Тапсырма

Осы ережелер жиынтығының негізінде, ставкасы шамалы тәртіпте айырмашылық оң және сол молекулалардың энергиясы болып табылады.


Кеңестер

Потенциалдық энергия формуласы – қарапайым электрлік тарту немесе қосымша күш болсын – бұл жауап емес, тек формула. r – ядро ​​мен электрон арасындағы қашықтық. Одан жауап алу үшін (кемінде шамасы бойынша) атомдағы электрондарды сипаттайтын типтік қашықтықты дұрыс бағалау және оларды формулаға ауыстыру қажет. (Біршама дәлірек формуласы: белгілі бір электронды күйде бұл энергияның орташа мәнін санау керек.)

Электрондық бұлттың әдеттегі типі қандай екендігін елестетіп көріңіз, қосымша әлеуетті энергияның графигін жасаңыз және бұл электронды бұлтдағы орташа мәнді бағалауға тырысыңыз.Атомдардың белгілі мөлшерін және әлсіз өзара әрекеттесу радиусын ауыстырып, атомдағы электрондардың энергиясына салыстырмалы қосындысын бағалаңыз. Қарапайымдық үшін, ядро ​​заряды аз емес деп есептей аламыз.


Шешім

Атомдағы электронның жай-күйі шамамен бірдей гомогенді бұлт болып табылады 10−10 Сондықтан, электростатикалық өзара әрекеттестіктің орташа әлеуетті энергиясын бағалау кезінде оны ауыстыру жеткілікті r ≈ a. Бұл жағдайда энергия болады E ≈ q1q2 / ажәне бұл атомдағы электронның типтік энергиясы.

Нашар өзара әрекеттесуден туындаған қосымша энергияны бағалау үшін масштабтағы қатты айырмашылыққа назар аударыңыз. rw және а. Егер формула бойынша Vw ауыстыру r = a, Экспоненциалды мультипликатор кішкентай болады, e−100 000 000, яғни ешқандай эксперименттерде оны нөлден ажырата алмайды. Экспоненттік мультипликатор e-R / rw нөлден ерекшеленеді, тек қана қашықтықта r ~ rw «A. Басқаша айтқанда, атом өлшемдерінің ауқымы бойынша жаңа күш шынымен жоқ.

Сурет. 2 Электростатикалық тартылыстың ықтимал энергиясының кестесі (сол жақта) және әлсіз өзара әрекеттесуден туындаған қосымша күш (оң жақта). Әр графиктің үстінде – схемалық бейнеленген электрондық бұлт; электронды бұлттың өте аз бөлігі, шеңбермен белгіленген сезіледі

Дегенмен, бұл ол жоқ дегенді білдірмейді. жалпы алғанда. Электрон бұлыңғыр бұлт болып табылады, және оның кейбір өте кішкене бөлігі өзекке өте жақын, оның ішінде тәртібін қашықтықта rw (2-суретті қараңыз). С-электрондар үшін бұл фракцияны жай көлеммен бағалауға болады: rw3 атомның көлеміне қарсы а3. Осындай қашықтықта әлсіз өзара әрекеттесу артады q1q2 / rwалайда жақын электрондарды табу ықтималдығы өте аз: (rw / а)3. Сондықтан жаңа күштің жалпы әсері әлдеқайда әлсіз болады: ΔE ≈ q1q2 rw2/ а3.

Кейбір санды алу үшін жазамыз салыстырмалы Бұл энергияның мәні: ΔE / E = (rw / а)2 = 10−16. Электрондық деңгейлердің типтік энергиясы электронды-вольт болып табылады, сондықтан ΔE мәні 10 аймақта орналасқан−16 eV, ол, әрине, өте аз мөлшерде. Біздің оңайлатылған «жұмыс қағидалары» ішінде, ΔE, бірнеше есе артты, оң және сол молекулалардың энергиясын айырмасы болады.


Кейінгі сөз

Әлсіз өзара әрекеттесудің арқасында молекулярлық бөлудің біздің моделіміз, әрине, өте қарапайым.Ядроның әлсіз және электрлік заряды арасындағы айырмашылықты назарға алмадық, әлсіз өзара әрекеттесу протондар мен нейтрондарға тәуелділігі атомдардың ішіндегі күштердің оң және сол молекулалардың қасиеттеріне қалай әсер ететінін түсіндіріп, rw10−18 Мұның бәрі кем дегенде кванттық механиканың негіздерін зерттеуді талап етеді. Дегенмен, бір негізгі идея көрсетілген: әлсіз өзара әрекеттесу атомдар мен молекулалардың қасиеттеріне өте жақын, дерлік байланыс электрон мен ядроның өзара әрекеттесуі. Қысқа диапазонның болуына байланысты, оның туындаған энергетикалық ауытқуы электростатикалық энергияға қарағанда шамалы шамдан аз.

Анықтама үшін, атомдар мен молекулалардың қасиеттеріне әсер ететін нашар өзара әрекеттесу біздің бағалаудан айтарлықтай ерекшеленетін нақты есептеулер. Біріншіден, қосымша күш ядро ​​зарядына өте күрт байланысты. Жеке атомдар ішінде әлсіз өзара әсерлері (мысалы, әр түрлі симметриялы энергия деңгейлерін араластыру) 10-ға дейінгі тәртіптің мәніне жетуі мүмкін−10 энергиясын өздері. Екіншіден, молекулярлық құбылыстарда, атомдармен салыстырғанда, бұл әсерлер әлдеқайда әлсіреді, тіпті үлкен ядролық заряддан пайда да оларға көмектеспейді.Реалистикалық есептер нақты оң және сол молекулалардың арасындағы қалыпты бөлу шамамен 10-ға жеткенін көрсетеді−18 eV және аз. Соған қарамастан, бұл әсерлер эксперименттік түрде анықталды: 1978 жылы жеке атомдар үшін, 1999 жылы молекулалар үшін – энантиомерлер.

Бұл сандармен қаруланған алғашқы сұраққа қайта оралайық: өмірдің тек сол жақ амин қышқылдарына негізделген себебі әлсіз өзара әрекеттесуі мүмкін бе? Бір қарағанда, бұл мүлдем мүмкін емес көрінеді. Әрине, жылу тепе-теңдігінде әрдайым төмен энергиялы күйлердің кейбір артықшылығы бар, өйткені Э энергиясының бөлшектерінің саны әдетте e-E / kT. Дегенмен, бөлме температурасы үшін, kT = 0.026 эВ мәні, сондықтан энергия айырмасы 10−18 ЕВ молекулаларының сол жақтан оннан квадриллионнан бір қалыпты жағдайда үстем болады. Мұндай айырмашылық бөлшектердің санының қарапайым ауытқуларының фоны бойынша толық жоғалады. Көру үшін, кем дегенде 10 синтездеу керек32 молекулалар, яғни мыңдаған тонна заттар.

Алайда, мұқият зерделеу көрсеткендей, бір энантиомердің үстінен үстемдік етуі бірте-бірте жиналуы мүмкін,егер үлкен көлемде ұзақ уақыт бойы хираль молекулалардың қатысуымен үздіксіз реакциялар болса. Содан кейін, ерте ме, кеш пе, кеңістіктік бағдарлардың бірі екіншісінен басым болады, содан кейін толығымен итермелейді. Теориялық есептер он мыңдаған жылдар бойы бұл үшін жеткілікті екендігін көрсетеді. Алайда, «жеткілікті болуы мүмкін» және «шынымен орын» – үлкен қашықтық. Сонымен қатар, жердегі өмірде аминқышқылдардың бақыланатын хираль тазалығы шын мәнінде осы себептен туындады ма деген сұрақ туындайды – басқа мүмкіндіктер бар. Бұл сұраққа әлі жауап берілмеді, оның барлық тартымдылығына және көптеген тәжірибелік және теориялық зерттеулерге қарамастан. 2008 жылғы жағдайға шолу жасалуы «Өмірдің молекулаларында широлданудың пайда болуы» кітабынан табуға болады. Осылайша, өмірдің гомохиралитасында әлсіз өзара әрекеттесудің рөлі туралы болжам өте қызықты, бірақ әлі де гипотетикалық мүмкіндік.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: